C语言实现LDPC码译码功能

基于C语言的LDPC码译码功能实现，包含位翻转算法和置信传播算法两种核心译码方法

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一、系统架构设计

1. 数据结构定义

#define MAX_ITER 100      // 最大迭代次数
#define N 1024            // 码长
#define K 512             // 信息位长度
#define R (N-K)           // 校验位长度

// 稀疏矩阵存储结构（CSR格式）
typedef struct {
    int row_ptr[N+1];     // 行指针数组
    int col_ind[R];       // 非零列索引
    int val[R];           // 非零元素值
} LDPC_Matrix;

// 消息结构体（对数域存储）
typedef struct {
    float LLR[N];         // 初始LLR值
    float VN_MSG[N][3];   // 变量节点消息（连接3个校验节点）
    float CN_MSG[R][3];   // 校验节点消息（连接3个变量节点）
} LDPC_Msg;

2. 矩阵构造示例

// 构造(6,3)LDPC码的稀疏矩阵（示例）
LDPC_Matrix H = {
    .row_ptr = {0, 2, 4, 6},
    .col_ind = {0, 3, 1, 4, 2, 5},
    .val = {1, 1, 1, 1, 1, 1}
};

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二、核心算法实现

1. 位翻转算法（Bit-Flipping）

// 综合症计算
void compute_syndrome(LDPC_Matrix *H, int *codeword, int *syndrome) {
    memset(syndrome, 0, H->row_ptr[H->row_ptr[H->row_ptr[0]]] * sizeof(int));
    for(int i=0; i<H->row_ptr[0]; i++){ // 遍历校验节点
        int sum = 0;
        for(int j=H->row_ptr[i]; j<H->row_ptr[i+1]; j++){
            sum ^= codeword[H->col_ind[j]]; // 模2加法
        }
        syndrome[i] = sum;
    }
}

// 位翻转译码
int ldpc_decode_BF(int *received, int *decoded, int max_iter) {
    int syndrome[R] = {0};
    int flip_count[R] = {0};
    
    for(int iter=0; iter<max_iter; iter++){
        compute_syndrome(&H, received, syndrome);
        
        if(memcmp(syndrome, "\0", R*sizeof(int))==0) return 1; // 成功
        
        // 错误统计
        memset(flip_count, 0, R*sizeof(int));
        for(int i=0; i<N; i++){
            int synd = 0;
            for(int j=H->row_ptr[i]; j<H->row_ptr[i+1]; j++){
                synd ^= (received[H->col_ind[j]] * H->val[j]);
            }
            if(synd) flip_count[i]++;
        }
        
        // 选择最大错误位翻转
        int max_err = 0, max_idx = -1;
        for(int i=0; i<N; i++){
            if(flip_count[i] > max_err){
                max_err = flip_count[i];
                max_idx = i;
            }
        }
        
        if(max_idx == -1) return 0; // 无法收敛
        received[max_idx] ^= 1;    // 比特翻转
    }
    return 0; // 超时失败
}

2. 置信传播算法（Belief Propagation）

// 校验节点更新（Min-Sum近似）
void cn_update(int cn_idx, LDPC_Msg *msg) {
    int connected_vn[3] = {0};
    int cnt = 0;
    
    // 收集连接的变量节点
    for(int j=msg->row_ptr[cn_idx]; j<msg->row_ptr[cn_idx+1]; j++){
        int vn_idx = msg->col_ind[j];
        connected_vn[cnt++] = vn_idx;
    }
    
    // 计算消息
    float min1 = INFINITY, min2 = INFINITY;
    int sign_prod = 1;
    for(int i=0; i<cnt; i++){
        int idx = connected_vn[i];
        float val = msg->VN_MSG[idx][cn_idx%3] * msg->val[j];
        if(fabs(val) < fabs(min1)){
            min2 = min1;
            min1 = val;
        } else if(fabs(val) < fabs(min2)){
            min2 = val;
        }
        sign_prod *= (val > 0) ? 1 : -1;
    }
    
    msg->CN_MSG[cn_idx][0] = min1 * sign_prod;
    msg->CN_MSG[cn_idx][1] = min2 * sign_prod;
}

// 变量节点更新
void vn_update(int vn_idx, LDPC_Msg *msg) {
    float sum = msg->LLR[vn_idx];
    for(int j=msg->row_ptr[vn_idx]; j<msg->row_ptr[vn_idx+1]; j++){
        int cn_idx = msg->col_ind[j];
        sum += msg->CN_MSG[cn_idx][(j-msg->row_ptr[cn_idx])%3];
    }
    msg->VN_MSG[vn_idx][0] = sum;
}

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三、主程序框架

int main() {
    // 初始化参数
    int received[N] = {0};  // 接收码字
    int decoded[N] = {0};   // 译码结果
    
    // 信道模拟（BSC信道）
    for(int i=0; i<K; i++) received[i] = rand()%2;
    for(int i=K; i<N; i++) received[i] = 0; // 信息位正确
    
    // 添加噪声（误码率10%）
    for(int i=0; i<N; i++) {
        if(rand()%10 == 0) received[i] ^= 1;
    }
    
    // 译码
    LDPC_Msg msg = {0};
    if(ldpc_decode_BF(received, decoded, MAX_ITER)){
        printf("Decoding Success!\n");
    } else {
        printf("Decoding Failed!\n");
    }
    
    return 0;
}

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四、扩展功能实现

1. LDPC码构造工具

// 生成随机构造LDPC码
void generate_ldpc(int n, int k, float density){
    // 初始化全零矩阵
    LDPC_Matrix H = {0};
    
    // 随机填充非零元素
    srand(time(NULL));
    for(int i=0; i<k; i++){
        for(int j=0; j<n; j++){
            if((float)rand()/RAND_MAX < density){
                H.row_ptr[i+1]++;
                H.col_ind[H.row_ptr[i]++] = j;
                H.val[H.row_ptr[i]-1] = 1;
            }
        }
    }
    H.row_ptr[k+1] = H.row_ptr[k];
}

2. 自适应迭代控制

// 动态迭代终止判断
int adaptive_termination(LDPC_Msg *msg){
    static int stable_count = 0;
    int current_syndrome = 0;
    
    for(int i=0; i<H.row_ptr[H.row_ptr[0]]; i++){
        current_syndrome |= msg->CN_MSG[i][0];
    }
    
    if(current_syndrome == 0){
        stable_count++;
        if(stable_count > 5) return 1; // 连续5次稳定
    } else {
        stable_count = 0;
    }
    return 0;
}

参考代码 C语言实现LDPC码的译码功能 www.youwenfan.com/contentcnj/71075.html

五、工程实践建议

1. 代码规范：遵循MISRA-C标准，禁用递归和动态内存
2. 调试工具：使用Valgrind检测内存泄漏，GDB进行多线程调试
3. 性能分析：ARM Cortex-M4使用DWT周期计数器，x86使用RDTSC指令
4. 安全加固：添加CRC校验和异常中断处理